高選擇性吸收式可調(diào)帶阻濾波器的研究

張 程,耿軍平,金榮洪,梁仙靈

(上海交通大學(xué)電子工程系,上海 200240)

工程與應(yīng)用

高選擇性吸收式可調(diào)帶阻濾波器的研究

張 程,耿軍平,金榮洪,梁仙靈

(上海交通大學(xué)電子工程系,上海 200240)

該研究利用耦合相消原理設(shè)計(jì)了一種吸收式可調(diào)帶阻濾波器。在傳統(tǒng)耦合相消結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上,提出了一種新的結(jié)構(gòu),通過(guò)增加耦合結(jié)構(gòu)的階數(shù)以及增大耦合支路中諧振器的電長(zhǎng)度,使得濾波器阻帶特性的Q值增大,從而提高了濾波器的選擇性。通過(guò)調(diào)節(jié)加載在諧振器上變?nèi)荻O管的偏置電壓,實(shí)現(xiàn)濾波器帶阻中心頻率可調(diào)。并對(duì)實(shí)測(cè)結(jié)果和仿真結(jié)果進(jìn)行了探討。

吸收式帶阻濾波器；高選擇性；可調(diào)帶阻濾波器

0 引 言

隨著無(wú)線(xiàn)通信的飛速發(fā)展，頻譜擁擠的問(wèn)題日益突出。為了提高頻譜利用率，跳頻、動(dòng)態(tài)頻率分配等技術(shù)得到廣泛的應(yīng)用。采用這些技術(shù)的可重構(gòu)系統(tǒng)和多功能接收機(jī)等通信系統(tǒng)逐漸成為研究熱點(diǎn)[1]?？烧{(diào)濾波器作為這些系統(tǒng)中的關(guān)鍵器件，因其易于控制、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低等突出優(yōu)點(diǎn)而越來(lái)越受到重視。傳統(tǒng)的可調(diào)帶阻濾波器一般都是反射式的，這就意味著阻帶抑制的信號(hào)能量會(huì)通過(guò)濾波器反射回來(lái)[2]。然而，當(dāng)濾波器用于抑制功率放大器的高次諧波時(shí)，反射回去的信號(hào)能量會(huì)使功率放大器的穩(wěn)定性下降，尤其在功放的設(shè)計(jì)中，穩(wěn)定性是衡量功放設(shè)計(jì)優(yōu)劣的重要指標(biāo)之一[3]。

近年來(lái)，為了克服上述應(yīng)用限制，能夠吸收阻帶反射信號(hào)的吸收式帶阻濾波器受到關(guān)注[4-6]。文獻(xiàn)[4]提出了利用多路無(wú)源互耦線(xiàn)性網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)的吸收式可調(diào)帶阻濾波器。該濾波器能夠?qū)崿F(xiàn)阻帶抑制水平可調(diào)，從而能夠改變接收信號(hào)的強(qiáng)弱。同時(shí)，該濾波器在調(diào)試范圍內(nèi)能夠使其阻帶-3 dB帶寬保持在350 MHz不變，相對(duì)帶寬約為17.5%。文獻(xiàn)[5]在此基礎(chǔ)上，提出利用具有高Q值的基片集成波導(dǎo)（SIW）結(jié)構(gòu)以及同樣具有高Q值的MEMS可變電容來(lái)實(shí)現(xiàn)濾波器的高選擇性和中心頻率可調(diào)。然而，由于SIW的運(yùn)用，導(dǎo)致該濾波器具有雙層結(jié)構(gòu)，濾波器的實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)相對(duì)較復(fù)雜。文獻(xiàn)[6]中提出了一種結(jié)構(gòu)相對(duì)比較簡(jiǎn)單的單層吸收式可調(diào)帶阻濾波器。該濾波器采用集總可調(diào)元件實(shí)現(xiàn)，其工作頻率范圍在470 MHz-730 MHz，其-3 dB帶寬約為30 MHz，相對(duì)帶寬約為5%。但該濾波器吸收式特性不明顯。文獻(xiàn)[7]中首次嘗試使用片上工藝設(shè)計(jì)吸收式可調(diào)帶阻濾波器，并且在其工作的2.9 GHz-4.3 GHz頻率范圍內(nèi)，最大阻帶抑制可達(dá)45 dB。然而，其-3 dB帶寬約為330 MHz，相對(duì)帶寬約為9%。

研究提出了一種新的吸收式可調(diào)帶阻濾波器的結(jié)構(gòu)。通過(guò)對(duì)加載變?nèi)荻O管的諧振器分析，結(jié)合耦合相消原理，利用吸收式產(chǎn)生原理實(shí)現(xiàn)了濾波器的吸收式可調(diào)帶阻特性；通過(guò)改進(jìn)電路耦合結(jié)構(gòu)以及諧振器的結(jié)構(gòu)，增大了濾波器阻帶特性的Q值，使得濾波器的選擇性進(jìn)一步提高。

1 原理分析與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

吸收式可調(diào)帶阻濾波器的結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。該結(jié)構(gòu)通過(guò)C1處的耦合結(jié)構(gòu)分成如圖所示標(biāo)為1、2的兩條支路，其中支路1是提供相移Φ的全通路徑；支路2是包含耦合結(jié)構(gòu)C2的耦合路徑。兩條支路在耦合結(jié)構(gòu)C3處匯合。當(dāng)支路1提供的相移Φ為90?時(shí)，信號(hào)經(jīng)支路1和支路2到達(dá)輸出端時(shí)，由于兩路信號(hào)同幅反相，因而產(chǎn)生帶陷特性[8]。在耦合結(jié)構(gòu)C2的兩個(gè)諧振器下端分別加載兩個(gè)接地變?nèi)荻O管。變?nèi)荻O管的等效電路一般是由電阻RS（V）、等效結(jié)電容CJ（V）以及電感LS三部分串聯(lián)而成。其中，串聯(lián)電阻RS（V）和等效結(jié)電容CJ（V）的值都隨著反向偏置電壓大小的不同而改變。

將圖1中虛線(xiàn)區(qū)域3所包含的諧振器提取出來(lái)，如圖2所示。取諧振器參與C1和C2處耦合結(jié)構(gòu)的兩段微帶線(xiàn)的特征阻抗為ZR，電長(zhǎng)度分別為θ1和 θ2。為了分析簡(jiǎn)便，將變?nèi)荻O管近似等效為值為CT（V）的電容。Zin1和Zin2分別是從C1和C2處耦合結(jié)構(gòu)的中間位置向開(kāi)路端和接地端看去的輸入阻抗。

圖1 吸收式可調(diào)帶阻濾波器結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 諧振器諧振分析示意圖

圖2中諧振器的諧振條件為:

其中:

將（2）、（3）兩式代入到（1）中可得:

由式（4）可以得出:當(dāng)諧振器長(zhǎng)度一定時(shí)，通過(guò)調(diào)節(jié)偏置電壓，改變接入諧振器中變?nèi)荻O管容值CT（V）的大小，可以使諧振器的諧振中心頻率發(fā)生改變，從而實(shí)現(xiàn)濾波器帶阻中心頻率可調(diào)。另外，在諧振頻率點(diǎn)上，將終端阻抗通過(guò)耦合結(jié)構(gòu)匹配到有耗諧振器阻抗上，信號(hào)功率則會(huì)耗散在有耗諧振器上，從而產(chǎn)生吸收式特性，而不是被反射回去[9]。因此，在圖1所示的結(jié)構(gòu)中，被反射的阻帶信號(hào)大部分能量會(huì)耗散在變?nèi)荻O管的串聯(lián)電阻RS（V）上。同時(shí)，通過(guò)對(duì)濾波器結(jié)構(gòu)的仿真優(yōu)化尋找到最佳設(shè)計(jì)參數(shù)，以此增加阻帶信號(hào)的吸收。

圖3 高選擇性吸收式可調(diào)帶阻濾波器的結(jié)構(gòu)圖

結(jié)合上述原理，高選擇性吸收式可調(diào)帶阻濾波器的結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示。對(duì)比圖1，L1、L2以及兩條L3構(gòu)成通路1，其中L1和L2作為相移網(wǎng)絡(luò)；L4和L5是四分之三倍波長(zhǎng)諧振器，通過(guò)L4和主傳輸線(xiàn)耦合，對(duì)應(yīng)圖1中C1和C3處的耦合結(jié)構(gòu)；對(duì)稱(chēng)的兩組L6和L7構(gòu)成通路2中C2處的四階耦合結(jié)構(gòu)，L6末端加載接地的變?nèi)荻O管，L7是接地的四分之三倍波長(zhǎng)諧振器；L8和扇形結(jié)構(gòu)L9構(gòu)成偏置電路。采用增加耦合結(jié)構(gòu)的階數(shù)以及增長(zhǎng)諧振器電長(zhǎng)度的改進(jìn)方法，使得帶陷特性Q值提高，阻帶帶寬變窄，從而在保證濾波器吸收式特性以及較深阻帶抑制的前提下，提高吸收式可調(diào)帶阻濾波器的頻率選擇性。采用二階耦合結(jié)構(gòu)和1/4倍波長(zhǎng)諧振器與采用四階耦合結(jié)構(gòu)和3/4倍波長(zhǎng)諧振器的兩種吸收式可調(diào)帶阻濾波器結(jié)構(gòu)的Q值對(duì)比情況如表1所示。

表1 改進(jìn)結(jié)構(gòu)前后Q值大小對(duì)比

2 仿真與測(cè)試

表2 高選擇性吸收式可調(diào)帶阻濾波器結(jié)構(gòu)的幾何尺寸

圖4 高選擇性吸收式可調(diào)帶阻濾波器的實(shí)物照片

對(duì)所加工的濾波器進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試采用的是Agilent矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀E8361C。當(dāng)加在變?nèi)荻O管上的外部偏置電壓為6.4V時(shí)，對(duì)應(yīng)的電容值C= 0.25 pF。實(shí)測(cè)結(jié)果和仿真結(jié)果對(duì)比，如圖5所示可以得出，在阻帶抑制水平達(dá)18.2 dB的同時(shí)，濾波器的回波系數(shù)大于15 dB。另外，濾波器的阻帶中心頻率為5.27 GHz，其-3 dB帶寬約為130 MHz，相對(duì)帶寬約為2.47%。濾波器通帶內(nèi)的插入損耗約為0.44 dB，稍差于仿真結(jié)果，這可能是與SMA接頭的不連續(xù)性以及加工誤差有關(guān)。

圖5 偏置電壓為6.4V時(shí)，濾波器實(shí)測(cè)和仿真結(jié)果對(duì)比

3 調(diào)諧結(jié)果與討論

調(diào)節(jié)偏置電壓的大小，變?nèi)荻O管的電容大小隨之變化，使得濾波器的帶阻中心頻率改變，從而可以進(jìn)一步了解可調(diào)濾波器在調(diào)諧特性。如圖6所示的是在4.6 V、6.4 V、9.3 V、15.1 V以及20 V這五個(gè)不同偏置電壓下測(cè)試所得的結(jié)果。隨著偏置電壓的改變，帶阻濾波器的中心頻率在5.17 GHz到5.56 GHz內(nèi)變化；如圖6（a）插入損耗值都能保持在15 dB以上。另外，隨著中心頻率的改變，各組插入損耗曲線(xiàn)的-3 dB帶寬在120~140 MHz之間。由圖6（b）的各組曲線(xiàn)可以看出，五組曲線(xiàn)趨勢(shì)基本一致。在調(diào)試區(qū)間內(nèi)，帶阻濾波器的各組回波損耗都大于10 dB，體現(xiàn)出濾波器的吸收式特性。然而，在不同偏置電壓下，濾波器的插入損耗和回波損耗所對(duì)應(yīng)的測(cè)試結(jié)果有所變化，這與變?nèi)荻O管的串聯(lián)電阻是外加偏置電壓的函數(shù)有關(guān)。在不同的偏置電壓下，變?nèi)荻O管的串聯(lián)阻值不同，因而能量耗散的情形也不相同。

圖6 加載不同偏置電壓時(shí)，濾波器的測(cè)試結(jié)果

將圖6中的不同偏置電壓下的濾波器性能測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，結(jié)果如表3所示。由該表可以看出，所設(shè)計(jì)的濾波器在調(diào)諧范圍內(nèi)，其-3 dB相對(duì)帶寬基本保持在2.4%左右。

為了直觀反映所提出的改進(jìn)結(jié)構(gòu)后的濾波器的吸收式特性、選擇性及其他特性，將近年來(lái)提出的同類(lèi)濾波器與所設(shè)計(jì)的濾波器的性能參數(shù)通過(guò)表格的形式進(jìn)行對(duì)比，如表4所示?？芍?，相比于所列文獻(xiàn)給出的濾波器，本文中的濾波器，在保持實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)、設(shè)計(jì)工藝簡(jiǎn)單，吸收式特性明顯的前提下，其-3 dB相對(duì)帶寬最小僅為2.32%，相比其他文獻(xiàn)中的吸收式可調(diào)帶阻濾波器的在帶寬方面的選擇性有了一定的提高。

表3 不同偏置電壓下，實(shí)測(cè)結(jié)果對(duì)應(yīng)的濾波器性能數(shù)據(jù)

表4 不同結(jié)構(gòu)的吸收式可調(diào)帶阻濾波器性能比較

4 結(jié) 語(yǔ)

研究主要針對(duì)高選擇性吸收式可調(diào)帶阻濾波器展開(kāi)。通過(guò)對(duì)加載變?nèi)荻O管的諧振器分析，結(jié)合耦合相消原理，利用吸收式產(chǎn)生原理實(shí)現(xiàn)了濾波器的吸收式可調(diào)帶阻特性；通過(guò)改進(jìn)電路耦合結(jié)構(gòu)以及諧振器的結(jié)構(gòu)，增大了濾波器阻帶特性的Q值，提高了濾波器的選擇性。加工了所設(shè)計(jì)的吸收式可調(diào)帶阻濾波器，實(shí)測(cè)結(jié)果和仿真結(jié)果基本一致。濾波器在通帶內(nèi)插損值約為0.44 dB。在阻帶抑制大于15 dB的基礎(chǔ)上，回波損耗保持在10 dB以上，體現(xiàn)出其良好的吸收式特性。在可調(diào)范圍內(nèi)，濾波器的-3 dB最小帶寬為120 MHz，-3 dB相對(duì)帶寬最小約為2.32%，反應(yīng)出濾波器具有高選擇性。

[1]ZHENG SY，YEUNG SH，CHANW-S，et al.Design ofBroadband Hybrid Coupler With Tight Coupling Using Jumping Gene Evolutionary Algorithm[J].IEEE Transactions on Industrial Electronics，2009，56（8）:2987-2991.

[2]SHAO J-Y，LIN Y-S.Millimeter-wave Bandstop Filter with Absorptive Stopband[C]//Microwave Symposium（IMS），2014 IEEEMTT-S International.2014:1-4.

[3]ZHU X，GENG J-P，LIANG X，etal.A Distincitive Method of Eliminating Out-band Instability In Cascaded Active Device System Based On Narrow-Band Attenuation[J]. Progress In Electromagnetics Research Letters，2014，48: 59-65.

[4]JACHOWSKI D R，RAUSCHER C.Frequency-agile Bandstop Filter with Tunable Attenuation[C]//Microwave Symposium Digest，2009.MTT’09.IEEE MTT-S International.2009:649-652.

[5]SNOW T，LEE J，CHAPPELLW J.Tunable High Quality-factor Absorptive Bandstop Filter Design[C]//Microwave Symposium Digest（MTT），2012 IEEEMTT-S International.2012:1-3.

[6]OU Y-C，REBEIZ G M.Lumped-Element Fully Tunable Bandstop Filters for Cognitive Radio Applications[J]. IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques，2011，59（10）:2461-2468.

[7]KIM B，LEE J，LEE J，et al.RF CMOS Integrated On-Chip Tunable Absorptive Bandstop Filter Using Q-Tunable Resonators[J].IEEE Transactions on Electron Devices，2013，60（5）:1730-1737.

[8]JACHOWSKID R.Passive Enhancement of Resonator Q in Microwave Notch Filters[C]//Microwave Symposium Digest，2004 IEEE MTT-S International.2004，3:1315-1318.

[9]JACHOWSKID R.Compact，F(xiàn)requency-agile，Absorptive Bandstop Filters[C]//Microwave Symposium Digest，2005 IEEEMTT-S International.2005，pp.513-516.

張 程(1990—),男,安徽蕪湖人,碩士研究生,主要研究方向?yàn)樯漕l微波電路、濾波器設(shè)計(jì)；

E-mail：zcfgrtf@sjtu.edu.cn

耿軍平(1972—),男,陜西寶雞人,副教授,主要研究方向?yàn)殡姶艌?chǎng)理論及現(xiàn)代天線(xiàn)技術(shù),電磁計(jì)算方法,信號(hào)處理等；

金榮洪(1963—),男,江蘇無(wú)錫人,教授、博士生導(dǎo)師,主要研究方向?yàn)殡姶艌?chǎng)理論、現(xiàn)代天線(xiàn)技術(shù)、電磁計(jì)算方法、天線(xiàn)信號(hào)處理、智能天線(xiàn)及相控陣天線(xiàn)等；

梁仙靈(1978—),男,浙江臺(tái)州人,副教授,主要研究方向?yàn)殡姶艌?chǎng)理論、現(xiàn)代天線(xiàn)技術(shù)等。

Research of the High Selectivity Absorptive Tunable Bandstop Filter

ZHANG Cheng，GENG Jun-ping，JIN Rong-hong，LIANG Xian-ling
（Shanghai Jiaotong University，Department of Electrical Engineering，Shanghai200240）

Combining with coupling cancellation principle，an absorptive tunable bandstop filter（BSF）is designed in this paper.Based on the traditional structure of the coupling cancellation，the filter with high quality-Factor can be acquired by increasing the order of coupling structure and the electrical length of the resonators in coupling branch.Then，the selectivity of the filter is increased.The center frequencies of the BSF is tunable by adjusting the bias voltage value of the variable capacitance diodes in the resonators.The insert loss of the filter is less than 0.44dB.In the stopband range，the return loss ismore than 10 dB，while the stopband rejection maintains 15 dB，and the absorptive feature is demonstrated. Over the tuning range 5.17 GHz-5.56 GHz，theminimum-3 dB bandwidth is120 MHz and theminimum-3 dB stopband fractional bandwidth is2.32%，and high selectivity of the filter is achieved.Good agreement between measured and simulated frequency responses can be obtained.

Absorptive bandstop filter；High selectivity；tunable bandstop filter.

TN713

A

1673-5692（2015）02-175-05

10.3969/j.issn.1673-5692.2015.02.011

2015-01-26

2015-03-11

國(guó)家重大專(zhuān)項(xiàng)（2011ZX03001-007-03），國(guó)家自然科學(xué)基金（61201058，61471240），上海市教育委員會(huì)科研創(chuàng)新項(xiàng)目（12Z112030001），教育部留學(xué)回國(guó)人員科研啟動(dòng)基金，SMC-晨星優(yōu)秀青年教師計(jì)劃。